基于低碳視角的土地利用與生態環境耦合關系

趙菁 焦云清 胡銀根

摘 要：本文基于低碳發展的視角構建了土地利用與生態環境的綜合評價體系，以武漢市1995年至2011年的指標數據為例，建立了武漢市土地利用-生態環境的耦合發展模型，并對武漢市的耦合發展進行時空分異研究。研究結果表明：研究期內武漢市土地利用程度不斷增強，特別在2005年以后發展速度顯著加快，生態環境水平波動頻繁，階段性顯著；土地-生態耦合發展度從0.54上升為0.83，從輕度失調發展向協調發展過渡，其中中心區發展穩定，郊區發展水平快速提高；2004年以后碳排放增加對生態環境負效應逐步顯現?；谏鲜鲅芯?，本文提出了長期化持續化的環保舉措、發展綠色GDP等建議。

關鍵詞：土地利用 生態環境 耦合發展度

中圖分類號：F301.21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0129-04

近年來隨著我國社會經濟的快速發展，人類活動與生態環境之間的矛盾日益顯現。土地是人類賴以生存與發展的重要資源和物質保障，在“人口-資源-環境-發展（PRED）”復合系統中，土地資源處于基礎地位，土地利用反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和最密切的關系[1]。1995年LUCC計劃提出以后，我國部分學者已對土地利用與土地覆被的變化過程、驅動機制等問題進行了深入研究[2]，而生態問題的日益加劇使得土地利用與生態環境的耦合關系成為了新的研究熱點。聶艷等研究了區域城市化與生態環境耦合變異特征[3]；李邊疆、王萬茂等對區域土地利用與生態環境系統耦合關聯進行了分析[4]；劉新平等也進行了塔里木河流域土地持續利用和生態協調發展的耦合關系分析[5]。

在現階段的研究中，大部分學者構建的生態環境評價體系在指標選擇上缺乏統一的科學性標準，導致指標差異顯著，并且未將碳排放量作為衡量生態環境的重要指標。曲福田等學者的研究發現，土地利用變化已成為僅次于化石能源燃燒的第二大溫室氣體排放源，土地利用變化既可以發揮碳源作用，又可以發揮碳匯作用[6]。因此，在土地利用與生態環境的耦合關系中，碳排放量的增減也對整個系統的內部作用起到一定的影響。本文從低碳角度評價生態環境發展，建立新型的土地利用與生態耦合模型，對土地利用和生態環境系統的相互作用機制進行進一步研究，以期對促進土地利用與生態環境的協調發展提出科學性建議。

1 土地利用與生態環境的耦合關系

耦合是指兩個（或兩個以上）的體系或運動形式通過各種相互作用而彼此影響的現象，耦合度則用來描述系統或要素相互影響的程度[3]。土地利用是指由土地質量特性和社會土地需求協調所決定的土地功能過程，土地實施持續利用包含兩方面含義：（1）指人類根據土地質量特性開發土地，創造財富，以滿足人類生產和生活的需要；（2）指利用土地，改善環境，以滿足人類生存的需要[7]。生態環境是指影響人類生存與發展的水資源、土地資源、生物資源以及氣候資源數量與質量的總稱，是關系到社會和經濟持續發展的復合生態系統。土地利用的社會經濟系統與生態環境系統相互作用的關系定義為土地利用-生態環境耦合關系，用耦合度來表示其影響作用的大小。土地利用和生態環境耦合關系主要表現在兩方面：其一，土地利用通過對地表性質的改變影響生態環境因子的變化；其二，生態環境通過資源約束、人口驅逐等過程束縛土地利用強度，限制土地利用方向。

2 土地利用與生態環境耦合模型的建立

2.1 構建評價指標體系

評價指標體系的構建要遵循以下原則：科學性原則、可比可量可行原則、區域性原則、動態穩定性原則。基于上述原則，本文分別建立了土地利用和生態環境評價指標體系。評價體系分為3個層次：第一層為目標層，即土地利用與生態環境耦合度；第二層為準則層，包括土地開發利用程度、土地集約經營程度、土地利用綜合效益、生態環境因子、生態環境保護、生態環境質量、低碳環境等7大準則層；第三層為指標層，選取土地墾殖率等29項指標。有學者研究表明，中國經濟發展中碳排放量增長的驅動因素主要有：人均GDP、城市化水平、能源強度、能源消費碳強度、水泥產量等因素[8][9]，本文在低碳生態準則層中選擇這5個評價指標：水泥產量、單位工業產值耗能、道路密度、標準營運車數、非農業人口比重（城市化率）。

2.2 建立系統評價函數

評價指標體系由多種因素構成，各指標的數據值計量單位不同，首先對各指標統一量綱，縮小指標之間數量級的差異。對原始數據標準化的公式如下：

（1）

式中，表示標準化后某一因子的標準值，表示其對應的原始數據，分別表示該類指標中的最小值和最大值。正向指標指該指標對土地利用程度的加強具有正效應，負向指標指該指標對土地利用程度的加強具有負效應。標準化后，土地利用系統對該類指標的滿意程度越高，其對應的數值越趨近于1，反之則越趨近于0。采用相同的方法將生態環境評價體系的指標標準化（）。

其次，確定各類指標的權重。本文運用熵權法對指標賦權。熵權法是一種在綜合考慮各因素提供信息量的基礎上計算一個綜合指標的數學方法。作為客觀綜合定權法，主要根據各指標傳遞給決策者的信息量大小來確定權重。本文選擇熵權法出于以下考慮：熵權法能準確反映本文涉及的兩系統中評價指標所含的信息量，可解決土地利用評價和生態環境評價各指標信息量大、準確進行量化難的問題，減少了人為主觀性對評價過程的干擾。

土地利用系統的評價函數為：

（2）

生態環境系統的評價函數為：

（3）

式中，為土地利用系統各指標的權重；為該系統各指標標準化后的標準值；為生態環境系統各指標的權重；為該系統各指標標準化后的標準值。

2.3 建立耦合度及耦合發展度模型

借鑒物理學中多個系統相互作用耦合度模型，土地利用系統和生態環境系統的耦合度函數為：

（4）

式中，C為耦合度，取值在0-1之間，C值越大，土地利用-生態環境系統耦合度越大，即；K為調節系數，取值大于2，為了增強2005-2011年間耦合度的區分度，本文取K=2。

耦合度反映的是土地利用-生態環境之間相互作用的強度大小，很難反應系統整體的功效與協同效應，判斷系統整體發展水平的高低，所以進一步建立耦合發展度模型：

（5）

（6）

式中，D為耦合發展度，耦合發展度越高，代表土地利用-生態環境系統發展的整體水平越高，其耦合關系越和諧；T為反映土地利用與生態環境整體效益的綜合評價指數；、為土地利用與生態環境在綜合效益中的權重值，由于土地利用與生態環境同樣重要所以取值均為0.5。土地利用與生態環境的耦合度與耦合協調度的評價標準見表1。

3 武漢市土地利用與生態環境耦合發展度時空變異分析

3.1 研究區域概況及數據來源

武漢位于中國腹地中心、長江與漢江交匯處、江漢平原東部，是中部六省唯一的副省級城市，也是國務院批準的中部地區中心城市。地處東經113°41′—115°05′，北緯29°58′—31°22′。武漢市土地總面積8494平方公里，人口1054.5萬，下轄江岸區、青山區等13個市轄區，2013年地區生產總值GDP超過9000億元，以9051.27億元在全國15個副省級城市中再次穩居第四位。分析該市土地利用與生態環境耦合關系有一定的意義和代表性。本文的研究數據來源于1998年至2012年《武漢市統計年鑒》。

3.2 武漢市土地利用與生態環境耦合模型的構建

基于上述建立的土地利用與生態環境體系評價體系，本文依據1995年至2011年間武漢市各指標數據，運用熵權法對評價體系的指標賦權，各指標權重見表2。

依據式2、式3分別建立土地利用和生態環境的評價函數，再依據式4～式6建立武漢市土地利用與生態環境耦合模型。

3.3 武漢市土地利用與生態環境耦合的時間特征

通過上述土地利用與生態環境耦合模型，計算出武漢市1995年至2011年各年土地-生態耦合度C和耦合發展度D，計算結果見表3。

土地利用-生態環境耦合關系在1995年至2011年間的變化大致有以下特征。

3.3.1 土地利用的強度持續增強

在1995年至2011年間，土地利用綜合評價函數的值基本上處于不斷上升的狀態。1995年至2000年間，土地利用情況穩定；2001年以后，隨著各項建設力度的加大，武漢市土地利用強度持續快速增強。期間，土地開發的力度不斷加大，武漢市人口密度從836人/km2上升至1180人/km2，人均住宅建筑面積從7.2 m2上升至35.3 m2；土地集約經營程度也在不斷加強，單位土地上的固定資產投資也從1995年的379萬元/km2上升到2011年的5009萬元/km2，提高了12倍；土地利用的綜合效益不斷提高，單位土地產值、單位土地財政收入、農村居民人均純收入有了較大水平的提高，其中農村居民人均純收入從1995年的1842元上升至2011年的9814元。

3.3.2 生態環境狀況整體提升，不斷波動

武漢市生態環境變化的整體情況大致分為兩個階段：1995年至2004年間，生態環境狀態平穩，有輕微波動；2005年至2011年間生態環境水平整體提高，發展有階段性。1995年至2004年之間10年研究區間內，生態環境的評價函數值穩定在0.4左右，沒有出現較大的波動。這一時期武漢市社會經濟發展較為緩慢，對生態環境產生的影響較弱且沒有立即顯現。2004年至2005年期間，武漢市的生態環境水平有了顯著性提高。從環境保護的角度出發，2005年武漢市污水處理廠集中處理率比上一年提高了20%，污染治理投資也比2003年之前有大幅提高；從環境質量角度出發，2005年武漢市建成區綠化覆蓋率從上一年的34.16%提高到37.6%，而在此前從1995年31.1%提高到2004年34.16%，經歷了10年的時間。2005年武漢市城市綠化工作得到較快的推進。2005年以后，生態環境水平在波動中小幅度提高，到2011年較2010年有明顯下降。生態環境狀況的波動一定程度上取決于環境治理工作的階段性和生態環境響應的滯后性。政府每年對環境污染的治理力度大小不一，環境保護初見成效后就降低治理力度，導致原本較為脆弱的生態環境隨時間出現時好時壞的情況；社會經濟的發展對生態環境造成的影響是長久持續的，生態環境對這種影響的響應具有滯后性。

如果不考慮碳排放因素對環境的影響，將低碳生態的指標層從生態環境評價體系中去除后重新對武漢市1995年至2011年間的生態環境進行評價，并與原來的評價結果進行對比，比較結果見圖2。

由圖可見，在不考慮碳排放對環境的負效應的情況下，武漢市1995年至2011年間生態環境的綜合評價值保持先穩定后快速上升的趨勢，特別是2004年以后，生態環境質量加速提升。普通評價體系的函數值在2006年首次超過低碳評價體系，兩者的差距呈不斷擴大的趨勢。在武漢市城市化水平不斷提高，經濟水平快速發展的情況下，碳排放量的增加對環境造成的影響從2005年開始逐漸顯露，其影響程度也逐步加深。

有學者研究表明，碳排放量增長的驅動因素主要有：人均GDP、城市化水平、能源強度、能源消費碳強度、水泥產量。城市居民人均能源消費量是農村居民的約3.5～4倍，武漢市城市化率在研究期內增長了8.8%，城市化的推進是碳排放增長的重要因素之一。與此同時，武漢市水泥產量增長了4.29倍，道路密度增長了29.6%，社會經濟的發展也為低碳發展帶來巨大壓力。碳排放對生態環境的影響不容忽視，對經濟-生態系統的協調發展的負效應也不容忽視。

3.3.3 耦合發展度穩步提高

武漢市土地利用-生態環境的耦合發展度變化主要經歷了兩大階段：1995年至2004年輕度失調發展經濟滯后型；2004年至2011年期間由低水平協調發展經濟滯后型-協調發展同步型-良好協調發展同步型的過度階段。1995年至2010年土地利用的綜合評價值始終低于生態環境綜合評價，特別在2000年以前，武漢市社會經濟發展水平較為落后，二者耦合發展度始終處于經濟滯后狀態。2000年以后，土地利用的發展速度明顯高于生態環境，二者的水平逐漸趨近。在2011年土地利用水平首次超過生態環境。隨著這種去趨勢的發展，武漢市土地-生態的耦合發展度將由同步發展逐步轉變為以經濟為主導，如果不重視對生態環境的保護和發展，耦合發展度將呈“倒U”型變化，逐步轉變為生態損益型的失調發展。

3.4 武漢市土地-生態耦合發展度分區研究

為進一步研究武漢市土地利用與生態環境發展之間的關系，對武漢市13個城郊區進行分區研究。結合各區的發展差異，從農業、工業、商業的不同角度衡量各區的土地利用情況，基于上述的土地利用評價體系的3個準則層，重新建立分區的土地利用評價體系，指標包括：土地墾殖率、單位土地規模以上工業企業數、人口密度、單位耕地化肥施用量、單位土地資金集約度、單位土地房地產開發投資額、單位土地產值、居民人均純收入、單位土地財政收入（以占該區人口類型較多的人口的人均純收入為該區人均純收入）。

根據上述對武漢市1995年以來的土地-生態耦合發展度的研究，2005年以后是其快速變化的階段。本文選取2005年至2010年為研究的時間區間對武漢市進行分區研究。依據耦合發展度模型計算出2005年至2010年武漢市各區耦合度發展水平，計算結果見表4。

從各區耦合發展度的變化角度分析，可以將其分為3種類型：穩定型、波動型、提高型。穩定型包括：江岸區、硚口區、漢南區；波動型包括：江漢區、漢陽區、武昌區、青山區、洪山區、江夏區；提高型包括：東西湖區、蔡甸區、黃陂區、新洲區。

江岸區、硚口區、漢南區基本穩定在較高的耦合發展度，發展狀況從輕度失調到協調發展過渡。其中，江岸區、硚口區的發展以商業為主，人口密度大、單位土地產值、房地產投資額都高于其他區域，與環境發展較為協調。漢南區以農業發展為主，該區的土地墾殖率遠高于武漢市其他各區，農業發展的資金集約度和土地產值比其他農業區域發展水平高。土地利用與生態環境的發展較為協調。

江漢區、漢陽區、武昌區、青山區、洪山區、江夏區的耦合發展度波動較大。其中，青山區發展較為典型。青山區以工業發展為主，其單位土地規模以上工業企業數遠高于其他區域，但該區域發階段性明顯，從投資上看該區的固定資產投資、房地產投資都經歷了先增后降的過程，該區域吸引的投資在2007、2008兩年達到近期內最大，同時土地的綜合利用效率也有這一顯著特征。由于土地利用情況的波動，耦合發展度也呈現先上升后下降的較大波動。江漢區以商業發展為主，其人口密度最大，單位土地的產值和財政收入是同期江岸區、硚口區的2～3倍，是周邊郊區的10倍以上，但其發展也具有明顯階段性，該區域的固定資產投資、房地產投資不穩定，隨政策等的變化而大幅度變化，進而對土地利用產生階段性波動的影響。

東西湖區、蔡甸區、黃陂區、新洲區的耦合發展度在2006年以后持續提高。隨著武漢市對周邊郊區發展的重視，武漢市1+8城市圈的提出等都帶動了武漢市郊區的經濟快速發展。隨著土地投入的不斷提高，土地利用程度加強，使得原本經濟滯后型的失調發展逐步向低水平協調發展、協調發展水平過渡。以黃陂區為例，該區單位土地固定資產投資從2005年的105萬逐年提高到2010年845萬，增幅為原來的7倍；單位土地的產值也從2005年的380萬提高到2010年的1137萬元。

4 結論

1995年至2011年間，武漢市土地利用強度快速提高，生態環境狀況不穩定。隨著“中部崛起”戰略、“武漢1+8城市圈”建設等的提出，武漢市在2005年以后進入了經濟快速發展的新階段。在經濟社會快速發展的背景下，土地利用的強度不斷提高，土地的開發利用程度、集約經營程度、綜合利用效益均有所提高。而與此同時，武漢市也注重環境保護，但由于相應措施的階段性和污染程度的加劇，生態環境水平時好時壞，波動頻繁。

土地-生態耦合發展度穩步提升。研究期內武漢市耦合發展度變化經歷兩個階段：1995年至2004輕度失調發展經濟滯后階段，2005年至2011年向協調同步發展過渡階段。由于后一階段土地利用發展速度顯著大于生態環境，預計未來武漢市發展為經濟主導型，耦合發展度將以“倒U”型下降，生態環境問題亟待重視。2005年至2011年各區耦合發展主要為穩定型、波動型、提高型，周邊郊區的土地利用強度快速提升。

2004年以后碳排放增加對系統協調發展的負效應顯著。隨著社會經濟的快速發展，碳排放量的增加對生態環境的負效應逐步顯現，這種負效應會通過生態系統作用于經濟系統，從而影響整體的協調發展。

針對以上結論，本文提出以下幾點建議：（1）促進環保措施的長期化持續化。在優化生態環境的政策上，政府應當拋棄急于求成的的心態，環境保護是一場持久戰，需要長期性持久性的戰略措施的支持保障。（2）注重節能減排，發展綠色經濟。碳排放量的增加是在社會經濟快速發展的背景下不可避免的問題，相關部門不能只注重效益，應結合科技發展逐步實現產業轉型，從“高耗能高污染”向“綠色經濟”轉變，提倡“綠色GDP”的核算方法。（3）促進土地利用程度合理性增強。繼續推行嚴格的土地用途管制，土地用途的變更對碳排放有顯著影響，林地是最主要的碳匯；嚴格執行“城鄉建設用地增減掛鉤”，在城市化快速發展的情況下，保證基本能農田的數量和質量，保證居民的糧食安全。

參考文獻

[1] 劉彥隨，陳百明.中國可持續發展問題與土地利用/覆被變化研究[J].地理研究，2002，5：324-330.

[2] 劉紀遠.20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析[J].地理研究，2003，1：35-38.

[3] 聶艷，雷文華，周勇，等.區域城市化與生態環境耦合時空變異特征—— 以湖北省為例[J].中國土地科，2008，11：56-62.

[4] 李邊疆，王萬茂.區域土地利用與生態環境耦合關系的系統分析[J].干旱區地理，2008，1：142-148.

[5] 劉新平，孟梅.土地持續利用與生態環境協調發展的耦合關系分析—— 以塔里木河流域為例[J].干旱區地理，2011，1：173-175.

[6] 曲福田，盧娜，馮淑怡.土地利用變化對碳排放的影響[J].中國人口資源與環境，2011，10.

[7] 王萬茂，韓桐魁.土地利用規劃學[M].北京：中國農業出版社，2013.

[8] 王鋒，吳麗華，楊超.中國經濟發展中碳排放增長的驅動因素研究[J].經濟研究，2010，2：123-136.

[9] 林伯強，劉希穎.中國城市化階段的碳排放：影響因素和減排策略[J].經濟研究，2010，8：66-78.